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计算一下:量子的未来是非常明确的

<p>超级计算机已经突破了我们解决大量问题的能力,从蛋白质折叠的详细研究到地球大气和气候的动态当前超级计算机架构的研究有望将我们带到“exascale”,使系统能够实现每秒执行1018个浮点运算(或计算)通过上下文,当前的家用计算机每秒可执行数十亿(109)的浮点运算但现在,我和我的同事的工作具有潜力以头对头的方式击败这些百亿亿次级系统......达到80个数量级(数字1是第0个数量级,10是第一个数量级,100是第二个数量级,依此类推)我们的器件只包含大约300个原子,可以提供性能上的改进,因为它使用量子物理学进行计算这是一种处理信息的全新方法,可以实现巨大的p并行性 - 即同时发生的大量计算,以解决单个计算问题这转化为处理极其复杂的问题的能力,其中硬件数量极少</p><p>我们开发的系统是量子模拟器 - 使用良好控制的量子系统模仿其他物理系统的动力学,例如固体材料中的相互作用电子我们的系统在解决某些问题方面非常有效这些问题主要是量子磁学问题 - 试图了解外来材料的集体行为,如高 - 温度超导体,源于电子之间的量子力学相互作用这听起来像只有物理学家才会关心的那种问题,而且可能就是这样但不应该是这样的事情处理固体中电子之间的量子磁相互作用有可能彻底改变我们对化学的理解它还可以为我们提供卓越的新功能来设计用于清洁和高效配电或发电的设计师材料当涉及到量子磁学的研究 - 或许多其他物理问题时 - 传统计算机很快就会碰到一堵墙这来自于事实上,计算“状态空间” - 计算所有可能的组合或连接所需的计算空间 - 必须表示为相互作用的量子粒子随着粒子的数量呈指数增长所以,对于相互作用的两级系统,如旋转 - 1/2电子,状态空间像2N一样增长(其中“N”是粒子的数量)因此,只有34个相互作用的自旋 - ½粒子,状态空间达到大约17千兆字节(即234≈17,000,000,000字节) - 大致相当于最先进的超级计算机处理器本地内存的大小(注意:这与超级计算机的“吞吐量”不同)For realisti c计算涉及大量相互作用的量子系统(数百个粒子,如果不是更多),超级计算机只是窒息谢天谢地,还有另一种方法正如人们可以建立一个比例模型来研究复杂的系统,我们可以建立一个比较模型来解决某些问题</p><p>量子制度这里的好处是,我们系统的信息容量与我们研究所感兴趣的系统完全一样</p><p>没有计算墙但是有一个实际的系统已经有各种各样的量子模拟演示使用这样的系统在过去的几年里,他们已经发现了这种方法的计算能力,但它总是远远低于量子系统甚至希望击败经典计算机所需的30-40个相互作用量子系统的“阈值”</p><p> (例如坐在桌子上或给智能手机供电的那个)我们的实验达到了300多个相互作用的量子粒子,例如:以前的相关实验超过一个数量级我们通过依靠一种全新的方法实现了这一目标,在电磁陷阱中使用自然形成的铍离子二维晶体自然给了我们这个系统的基本顺序有趣的是 - 显示磁挫败的三角形晶格但我们设计这些粒子之间的相互作用并调整它们以模拟各种各样的问题 有效地,我们可以在不同类型的交互中进行编程并研究出来的内容,从而“解决”问题该系统的计算潜力巨大在333粒子上,感兴趣的计算空间超过一个googol - 即10100或写出:10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000在经典计算机中表示这个空间需要系统的大小超过已知宇宙的大小我们的系统可以在大约一平方毫米的范围内完成</p><p>当然,我们还没有展示出这个系统的全部容量我们只采用了最小的婴儿步骤,执行“基准测试”实验来测试系统的性能以解决非常简单的问题表明它实际上可以进行计算,经典机器不能承担相当多的未来工作尽管如此,我们对这种潜力感到非常兴奋为此和相关世界各地研究实验室的设备我们的协作团队 - 美国国家标准与技术研究院,美国乔治城大学,南非科学与工业研究理事会,

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